JP2006250065A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの検出値のばらつきを抑制し、空燃比制御の精度を高める。
【解決手段】エンジン１の排気空燃比に応じて排気中の酸素を取り込み、あるいは放出する酸素ストレージ能力のある触媒５と、触媒５の上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサ８と、下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ９と、上流側空燃比センサ８の出力に基づいて触媒５の酸素ストレージ量を推定する酸素ストレージ量推定手段１１と、酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの排気空燃比を制御する手段１１と、酸素ストレージ量の推定値と下流側空燃比センサ９の出力とに基づいて上流側空燃比センサ８の素子温度を制御する上流側空燃比センサ素子温度制御手段１１と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御に関し、特に空燃比を検出するセンサの検出精度を向上させる制御に関する。

エンジンの排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを三元触媒によって同時に浄化するには、触媒雰囲気を理論空燃比（以下、ストイキという）にする必要があり、空燃比がストイキから少しでもずれたときに浄化率が低下することがないように、触媒には酸素ストレージ能力を持たせている。

これにより、ストイキよりもリーンな排気を与えると触媒が排気中の酸素を取り込み、この酸素ストレージ量が飽和するまでは、触媒雰囲気をストイキに維持できる。また、ストイキよりもリッチな排気を与えると、触媒が保持している酸素が放出され、保持酸素のすべてを放出するまでは触媒雰囲気をストイキに維持することができる。このようにして一時的な空燃比のずれから生じる酸素の過不足を触媒が補い、触媒雰囲気を実質的にストイキに保つことが可能となる。

この場合、触媒の酸素ストレージ量が常に目標値、例えば最大ストレージ量の半分程度となるように空燃比を制御してやると、触媒の取り込みと放出の容量が均等化し、空燃比のストイキからのリッチ、リーンのいずれ側への変動に対しても吸収能力が高まり、排気の浄化効率を最良に保つことができる。

このため、空燃比センサの出力に基づいて触媒に流入する排気の酸素過不足量（空燃比から換算する）を積算して触媒の酸素ストレージ量を求め、この酸素ストレージ量が目標値と一致するように空燃比をフィードバック制御する方法が知られている。

ところで、触媒の上流側に設置される空燃比センサの出力は、劣化や製造時の品質のばらつき等によって誤差（リッチ又はリーン側へのシフト）が生じる事がある。

検出される空燃比に誤差が生じると、空燃比センサの出力に基づいて触媒の酸素ストレージ量を正確に演算することができなくなり、結果として触媒の酸素ストレージ量を目標値として制御させられなくなり、排気の浄化効率が低下してしまうという問題がある。

この問題を解決するために、特許文献１では、下流側の空燃比センサの出力が一定時間以上リーン側又はリッチ側になったか判断し、下流側の空燃比が一定時間以上リーン側またはリッチ側になったときは、下流側の空燃比センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの出力を補正している。
特開２００１−２３４７８９号

ところで、酸素濃度センサを用いて酸素濃度を検知する場合には、酸素濃度センサのリーン時の出力電圧とリッチ時の出力電圧との間にストイキ時の空燃比に相当する出力電圧（スライスレベル）を設定し、これを空燃比を反転（燃料噴射量を変化させる）させる閾値としている。すなわち、リーン−リッチ、リッチ−リーンの各変化において出力電圧がスライスレベルとなったときが空燃比を反転させる制御点となる。このスライスレベルは通常固定値であるが、運転状態に応じて可変に設定するものも知られている。

ところが、酸素濃度センサの出力電圧レベルは素子温度の上昇に伴って低下する特性をもっている。

したがって、スライスレベルが固定値である場合には、素子温度の変化によってリーン時の出力電圧とリッチ時の出力電圧との間における制御点の位置にずれが生じることになる。また、運転状態に応じて可変に設定する場合であっても、出力電圧特性はストイキ近傍で僅かながらも傾きを持っているため、同様に制御点のずれが生じることになる。

この制御点のずれによって、空燃比の反転がリーンもしくはリッチのいずれかに偏った状態で行われることになるので、酸素ストレージ量の推定精度は低下し、結果として触媒の酸素ストレージを目標値に制御することができなくなり、排気の浄化効率が低下してしまう。

特許文献１に記載の制御では、前述したように下流側の酸素濃度センサの出力値に基づいて上流側の酸素濃度センサの出力値を補正しているが、素子温度の変化については考慮されていない。

したがって、酸素濃度センサの劣化や品質誤差による制御点のずれを、上流側の酸素濃度センサの出力値の補正により解消しても、その後で素子温度が変化した場合には再度補正を行う必要があり、また、下流側の酸素濃度センサが一定時間以上リーンまたはリッチ側へのずれを検出するまで補正は行われないので、触媒の浄化性能が最適な空燃比のバンド（以下、触媒のウィンドウという）から外れる頻度が多くなり、結果として排気浄化効率は低下してしまう。これは、スライスレベルが固定値の場合であっても運転状態に応じて可変に設定する場合であっても同様である。

そこで、本発明では空燃比センサの検出精度のばらつきを抑制して、空燃比を精度良く制御することを目的とする。

本発明の空燃比制御装置は、エンジンの排気空燃比に応じて排気中の酸素を取り込み、あるいは放出する酸素ストレージ能力のある触媒と、前記触媒の上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサと、前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を推定する酸素ストレージ量推定手段と、酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの排気空燃比を制御する手段と、前記上流側空燃比センサの素子温度を調節する素子温度調節手段と、前記酸素ストレージ量の推定値と前記下流側空燃比センサの出力とに基づいて前記素子温度調節手段を制御する。

本発明によれば、上流側空燃比センサの素子温度を制御することで、センサの検出値ののばらつきの要因である素子温度の変化を抑制することになるので、空燃比の検出精度が向上し、精度の高い空燃比制御が可能となる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するシステムの構成を表す概略図である。

１はエンジン（内燃機関）、２はエンジン１に吸気を供給する吸気マニホールド、３はエンジン１の排気を集合させる排気マニホールド、４は排気マニホールド３の下流に接続され排気を大気に排出する排気通路である（以下、排気マニホールド３と排気通路４をまとめて排気通路４とする）。

吸気マニホールド２には燃料噴射弁６、大気圧センサ７が備えられる。

排気通路４には排気の酸素濃度を検出する上流空燃比センサ８、排気温度を検出する排気温度センサ１０が備えられる。また、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２に還流するＥＧＲ配管１４が設けられ、ＥＧＲ配管１４にはＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ１２が備えられる。

上流側空燃比センサ８には素子温度調節手段としてのヒータが備えられ、後述するコントロールユニット１１は上流側空燃比センサ素子温度制御手段としてヒータを制御する。

排気通路４には排気を浄化する触媒５が介装され、触媒５の下流には触媒５を通過した排気の酸素濃度を検出する下流側空燃比センサ９が備えられる。

エンジン１のクランクシャフト（図示せず）の近傍にはクランクシャフトの回転数を検出するクランク角センサ１３が備えられる。

上流側空燃比センサ８、下流側空燃比センサ９、大気圧センサ７、排気温度センサ１０、クランク角センサ１３等の検出値はコントロールユニット１１に読み込まれる。

コントロールユニット１１はクランク角センサ１３の検出値に基づいてエンジン回転数を算出し、このエンジン回転数とエアフローメータ（図示せず）により検出した吸入空気量とから燃料噴射量を決定する。また、上流側空燃比センサ８、下流側空燃比センサ９の検出値から触媒５上流の空燃比、触媒５下流の空燃比をそれぞれ算出し、この上流側及び下流側の空燃比に基づいて上記燃料噴射量を空燃比フィードバック補正する。また、上流側空燃比センサ８の素子温度も読み込まれる。

図２は上流側空燃比センサ８、下流側空燃比センサ９として用いる酸素濃度センサの出力特性を示す。図２に示すように、リッチ〜ストイキ近傍ではセンサ出力は略一定の高い起電力レベルであり、ストイキ近傍で急激に起電力レベルが低下し、ストイキ近傍〜リーンでは略一定の低い起電力レベルとなる。すなわち、ストイキよりリッチ、リーンの２値出力となる。そして酸素濃度センサのリーン時の出力電圧とリッチ時の出力電圧との間にストイキ時の空燃比に相当する出力電圧（スライスレベル）を設定し、これを空燃比を反転（燃料噴射量を変化させる）させる閾値としている。

図３は酸素濃度センサを用いる場合の一般的な空燃比フィードバック制御を説明するための図であり、具体的には酸素濃度センサの出力と燃料噴射量の補正信号の関係を示している。

前述したように酸素濃度センサの出力は空燃比がストイキよりもリッチかリーンかの２値出力となるので、空燃比の制御は基本的にＯＮ−ＯＦＦ制御となり、酸素濃度センサの出力は図に示すように制御点の上下を行き来することになる。

また、空燃比フィードバック制御は一般的にＰＩ制御で行われるため、燃料噴射量は制御点に達したらまずＰ分（比例成分）だけステップ的に変化し、その後Ｉ分（積分成分）だけ所定の傾きをもって変化する。そして、例えば制御点に達したときに燃料噴射量が増量された場合、空燃比は徐々にリッチな方向に変化し、再び制御点に達する。そして今度は燃料噴射量を減量するよう制御されることになる。これを繰り返すので、燃料噴射量は図３に示すようにストイキに対してリーン−リッチを行き来することになる。

ところで、酸素濃度センサには、素子温度が高くなると上記の出力特性のまま低起電力レベル方向にシフトする特性がある。

したがって、スライスレベルを固定とした場合には、素子温度が上昇すると制御点がリッチ側にずれてしまう。これは、酸素濃度センサの出力特性が完全なステップ変化ではなく、ストイキ近傍で傾きを持っているため、素子温度が上昇することによって図２中の出力特性線図が下方にシフトし、これによりリッチ時の出力とリーン時の出力との間でのスライスレベルの相対的な位置が、素子温度が低い状態に比べて高くなるからである。

この制御点のずれが生じると、空燃比がリッチからストイキに向けて変化している際に、空燃比がまだリッチであるにもかかわらず燃料噴射量が減量されることになり、結果として触媒の酸素ストレージ量の推定精度が低下してしまう。

そこで、本実施形態では素子温度の変化に起因する制御点のずれを解消するために下流側空燃比センサ９の出力、すなわち実際の排気ガスの空燃比に基づいて素子温度そのものをヒータを利用してコントロールする。

具体的には図４に示す制御を行う。以下、図４の各ステップに従って説明する。

ステップＳ１では上流側空燃比センサ８が活性化したか否かの判定を行う。活性化していない場合には活性化するまで判定を繰り返し、活性化している場合にはステップＳ２に進む。なお、この活性化判定の基準温度は例えば略３５０度に設定する。

ステップＳ２では、上流側空燃比センサ８の素子温度を、ヒータを用いて標準温度、例えば略６００度にコントロールする。素子温度のコントロールには、いわゆる素子抵抗フィードバック方式もしくは運転状態に応じたＤｕｔｙマップ方式等を用いる。

ステップＳ３では、排気ガス温度がステップＳ２で設定した素子温度より低いか否かの判定を行う。

排気ガス温度の方が高い場合にはステップＳ４に進み、ヒータＤｕｔｙを固定値に設定し、素子温度の方が高くなるまでステップＳ３、Ｓ４を繰り返す。

ステップＳ３で素子温度の方が高くなった場合には、ステップＳ５に進み、触媒５の酸素ストレージ量の限界値を越えたときに下流側空燃比センサ９がリッチからリーンもしくはリーンからリッチに反転したか否かの判定を行う。触媒５の酸素ストレージ量は吸入空気量とそのときの上流側空燃比センサ８の出力とから触媒５に吸収又は放出される酸素量を積算することによって求めることができ、限界値は使用する触媒５の容量に応じて予め設定する。

反転しない場合にはステップＳ６に進み、反転したときにはステップＳ７に進む。

ステップＳ６ではｔ１における酸素ストレージ量（ＱＡ積算値）と酸素ストレージ量限界値との差（ＱＡ積算値過剰分）を算出し、図５に示す補正量テーブルを検索することによって素子温度補正量を設定し、ヒータを停止することによって上流側空燃比センサ８の素子温度を低下させる。

なお、図５の補正量テーブルは、ＱＡ積算値過剰分の値が大きくなるほど素子温度補正量も大きくなっている。

ステップＳ７では、触媒５の酸素ストレージ量の限界値を越える前に下流側空燃比センサ９がリッチからリーンもしくはリーンからリッチに反転したか否かの判定を行う。

反転した場合にはステップＳ８に進み、反転したときの酸素ストレージ量と酸素ストレージ量限界値との差（ＱＡ積算値余剰分）を算出し、図６に示す補正量テーブルを検索することによって素子温度補正量を設定し、ヒータを起動させることによって上流側空燃比センサ８の素子温度を上昇させる。

反転しない場合にはステップＳ２に戻る。

ステップＳ６、Ｓ８で上流側空燃比センサ８の素子温度を変化させたら、ステップＳ９に進み、エンジン１の運転が停止したか否かを判定し、エンジン１が停止しない場合にはステップＳ５に戻り、停止した場合には処理を終了する。

上記のステップＳ５からステップＳ６、及びステップＳ７からステップＳ８の流れについて詳細に説明する。

ステップＳ５でＱＡ積算値が酸素ストレージ能力限界値を超えたのに下流側空燃比センサ９の出力が反転しない場合とは、吸入空気量と上流側空燃比センサ８の出力から算出した酸素ストレージ量が限界値に達しているのにもかかわらず、実際のストレージ量は限界値に達していない状態である。下流側空燃比センサ９は実際の排気ガスの空燃比を検出しているのであるから、上記の酸素ストレージ量の算出値と実際の値とのずれは上流側空燃比センサ８の出力がシフトしていること、すなわち上流側空燃比センサ８が実際の空燃比よりもリッチであるように検出していることが原因である。

上記の制御点のずれについて図２の出力特性図のストイキ近傍を拡大した図９を参照して説明する。図９のＦｒＳは上流側空燃比センサ８の基準素子温度での出力特性であり、この出力特性に基づいてリッチ時の出力とリーン時の出力の略中間の出力をスライスレベルとして設定し、スライスレベルとＦｒＳとの交点を制御点としている。ＦｒＨはＦｒＳよりも素子温度が高い状態、ＦｒＬはＦｒＳよりも素子温度が低い状態の出力特性を表す。

上流側空燃比センサ８が実際の空燃比よりもリッチであるように検出する状態とは、図９中のＦｒＨで表した状態である。すなわち、リッチ時の出力とリーン時の出力の略中間は図中のＣｏｎｔＢであるにもかかわらず、スライスレベルとの交点、すなわち制御点はＣｏｎｔＡとなり、ＣｏｎｔＢよりもリッチ時の出力側にΔ（ＣｏｎｔＢ−ＣｏｎｔＡ）だけずれた状態である。そこで、制御点のずれΔ（ＣｏｎｔＢ−ＣｏｎｔＡ）をなくすように、ステップＳ６で図５の補正量テーブルから求めた素子温度補正量ＴＭＰＨＯＳＬだけ素子温度を低下させている。

ステップＳ７でＱＡ積算値が酸素ストレージ能力限界値に達する前に下流側空燃比センサ９の出力が反転する場合は、ステップＳ５とは逆に、上流側空燃比センサ８が実際の空燃比よりもリーンであるように検出している。

これは図９中のＦｒＬの状態であり、リッチ時の出力とリーン時の出力の略中間は図中のＣｏｎｔＣであるにもかかわらず、スライスレベルとの交点、すなわち制御点はＣｏｎｔＤとなり、ＣｏｎｔＤよりもリーン時の出力側にΔ（ＣｏｎｔＤ−ＣｏｎｔＣ）だけずれた状態である。そこで、ステップＳ８で図６の補正量テーブルから求めた素子温度補正量ＴＭＰＨＯＳＨだけ素子温度を上昇させている。

ここで、上流側空燃比センサ８の素子温度をコントロールして制御点のずれを補正する効果について、従来知られているセンサ出力そのものを補正する方法と比較して説明する。

下流側空燃比センサ９の出力に基づいて上流側空燃比センサ８の出力を補正する方法は、例えば図９のＦｒＨの状態のときに、出力特性はＦｒＨのままＣｏｎｔＡの出力値をＣｏｎｔＢの出力値として認識するよう補正するものである。この方法では、素子温度の変化について考慮されていないので、出力値を補正した後に素子温度が変化することによって出力値が変化すると、再度補正を行わなければならない。したがって、補正を行う頻度、すなわち浄化性能のウィンドウから外れる頻度が多くなり、排気性能が悪化してしまう。

これに対して、本実施形態では、素子温度そのものをコントロールするので、制御点のずれを生じさせる要因そのものを抑えることになる。したがって触媒５の排気性能のウィンドウから外れる頻度が少なくなり、結果として制御点のずれによる排気性能の悪化を抑制することができる。また、制御点のずれを生じさせる要因を抑えることにより、空燃比の検出精度が向上し、適切な空燃比制御を行うことが可能となる。

なお、スライスレベルを運転状態に応じて可変に制御する技術も知られているが、スライスレベルを可変に制御しても、素子温度が制御点ずれの要因であることには変わりがないので、上記のように補正頻度が増加して排気性能が悪化するという問題は生じる。

次に図４の制御を行った場合の下流側空燃比センサ９の出力信号の変化及び素子温度の変化についてのタイムチャートを図７、８に示す。

図７は酸素ストレージ量限界値を超えても下流側空燃比センサ９がリッチからリーンに反転しない場合である。

ＱＡ積算値は時間と共に増加し、上流側空燃比センサ８の素子温度は略７００度で一定を保っている。ｔ１で酸素ストレージ量限界値を超えたときに、下流側空燃比センサ９の出力はリッチからリーンに反転せずリッチのままである。そしてｔ２で下流側空燃比センサ９の出力がリーンに反転している。このｔ１におけるＱＡ積算値と酸素ストレージ量限界値との差がＱＡ積算値過剰分であり、これを用いて図５の補正量テーブルを検索して素子温度補正量を設定し、ｔ１で上流側空燃比センサ８の素子温度を補正量分（ここでは略１００度）だけ低下させる。以降この制御を繰り返す。

図８は酸素ストレージ量限界値に達する前に下流側空燃比センサ９がリッチからリーンに反転する場合である。

ＱＡ積算値は時間と共に増加し、上流側空燃比センサ８の素子温度は略６００度で一定を保っている。ｔ１で下流側空燃比センサ９の出力がリッチからリーンに反転しているが、ＱＡ積算値は酸素ストレージ量限界値に達していない。このｔ１までのＱＡ積算値の酸素ストレージ量限界値に対する余剰分がＱＡ積算値余剰分であり、これを用いて図６の補正量テーブルを検索して素子温度補正量を設定し、ｔ１で上流側空燃比センサ８の素子温度を補正量分（ここでは略５０度）だけ上昇させる。

ｔ２では下流側空燃比センサ９の出力がリーンからリッチに反転している。このときｔ１での素子温度補正の効果により、ＱＡ積算値は酸素ストレージ量限界値と一致しているので、ＱＡ積算値余剰分はゼロである。したがって、ここでは上流側空燃比センサ８の素子温度の補正を行わない。

ｔ３では下流側空燃比センサ９の出力がリッチからリーンに反転しているが、運転状態の変化等の要因により制御点のずれが生じ、ｔ１と同様にＱＡ積算値は酸素ストレージ量限界値に達していない。そこで、ｔ１と同様にｔ３までのＱＡ積算値余剰分を求め、これを用いて図６の補正量テーブルを検索して素子温度補正量を設定し、上流側空燃比センサ８の素子温度を補正量分（ここでは略５０度）だけ上昇させる。ｔ３以降はこの制御を繰り返す。

以上により本実施形態では、酸素ストレージ量の推定値と下流側空燃比センサ９の出力とに基づいて上流側空燃比センサ９の出力を補正を、上流側空燃比センサ８の素子温度を制御することによって行うので、素子温度の変化に起因するセンサ出力のバラツキを抑制して空燃比を高い精度で検出することができる。

酸素ストレージ量の推定値が予め設定した限界値を越えても下流側空燃比センサ９の出力がリッチからリーン、もしくはリーンからリッチへ反転しない場合には上流側空燃比センサ８の素子温度を所定量だけ低温側に変化させ、酸素ストレージ量の推定値が予め設定した限界値を越える前に下流側空燃比センサ９の出力がリッチからリーン、もしくはリーンからリッチへ反転した場合には上流側空燃比センサ８の素子温度を所定量だけ高温側に変化させるので、上流側空燃比センサ８の出力値のずれを適確に検出することができる。

上記の所定量を酸素ストレージ量の推定値と予め設定した限界値との差に応じて設定するので、出力値のずれに応じた適確な補正量を設定することができる。

なお、空燃比を検出するセンサとして、酸素センサに代えていわゆるＡ／Ｆセンサを使用した場合にも適用可能である。

Ａ／Ｆセンサは、リッチ、リーンの２値出力となる酸素濃度センサと異なり、リッチからリーンまでの空燃比を検出することができる。そして、図１３に示すように素子温度の変化に応じて傾きが変化し、この傾きの変化によって制御点のずれが生じるが、本実施形態のように素子温度をコントロールすることでこの制御点のずれを補正することができる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態のシステムの構成及び上流側空燃比センサ８の素子温度コントロールは第１実施形態と同様なので説明を省略する。

ただし、上流側空燃比センサ８の他に、下流側空燃比センサ９の素子温度もコントロールする。

具体的には図１０に示すフローチャートに従って制御を行う。なお、図１０のステップＳ１〜Ｓ８までは図４と同様でるので説明を省略する。

ステップＳ６又はＳ８で上流側空燃比センサ８の素子温度を変化させた後は、ステップＳ１０でＥＧＲを行っている運転領域（ＥＧＲ領域）であるか否かの判定を行う。

ステップＳ１１では、ＥＧＲ量に応じて下流側空燃比センサ９の素子温度をコントロールする。

ステップＳ１２では、エンジン１が停止したか否かの判定を行い、停止してない場合にはステップＳ５へ戻り、停止した場合には処理を終了する。

ここでコントロールの方法について図１１を参照して説明する。図１１は下流側空燃比センサ９の出力レベルと排気ガス成分の残存率の関係を示したマップであり、縦軸は排気ガス成分の残存率、横軸は下流側空燃比センサ９の出力である。図中の実線は基準とするＥＧＲ量における残存率である。

図１１から、スライスレベルを変えることにより、排気ガスの残存率バランスは変化することがわかる。具体的には、スライスレベルを上げると、ＮＯｘ残存率は低下し、ＨＣ、ＣＯ残存率は上昇する。逆にスライスレベルを下げると、ＮＯｘ残存率は上昇し、ＨＣ、ＣＯ残存率は低下する。なお、基準時のスライスレベルはＮＯｘ残存率とＨＣ、ＣＯ残存率が等しい出力に設定する。

また、点線１はＥＧＲガスの流量を増大させたとき、点線２はＥＧＲガスの流量を減少させたときの残存率を表す。

ＥＧＲガスの流量はエンジン回転数、燃料噴射量といった運転条件により定まり、予めマップ化したものを運転条件で検索することによって設定される。

例えばＥＧＲガスの流量が増加した場合は、触媒５に流入する前の排気ガス中に含まれるＮＯｘ量は低下するが、逆にＨＣ、ＣＯといったリッチガスが増加する。すなわち、ＥＧＲガス流量に応じて残存率バランスが変化し、図１１に示すように、ＮＯｘとＨＣ、ＣＯの残存率が等しくなる点は低出力側にシフトし、ＥＧＲガスの流量が減少したときには高出力側にシフトする。

そこで、空燃比制御の精度向上のためには、スライスレベルもＮＯｘとＨＣ、ＣＯの残存率が等しくなるレベルに補正する必要がある。

しかしながら、スライスレベルそのものを可変に制御しても、前述したように素子温度のばらつきにより検出する空燃比もばらつくという問題がある。

また、第１実施形態で説明したように、素子温度を変化させるとスライスレベルを変化させるのと同様の効果を得られ、かつ空燃比検出出力のばらつきの要因である素子温度を直接コントロールすることでばらつきの要因を抑えることができる。

そこで、本実施形態ではスライスレベルを変化させる代わりに、下流側空燃比センサ９の素子温度をコントロールする。ＥＧＲ流量と排気ガス残存率バランスの関係及び素子温度とセンサ出力の変化量との関係は実験やシミュレーションにより求めることができるので、運転状態からＥＧＲ量が設定されたら、そのＥＧＲ量に基づいて素子温度の変化量を設定することができる。具体的には、図１２に示すようなＥＧＲガス流量と素子温度のテーブルを作成しておき、これを検索することによって素子温度を設定する。なお、図１２のテーブルはＥＧＲ流量ＥＧＲＶＯＬが多くなるほど設定素子温度ＴＭＰＲＲＯは低くなっている。

このように、排気ガスの残存率の変化に応じたフィードバック制御ではなく、ＥＧＲガス流量を設定したときに、そのＥＧＲガス流量とすることによって生じる制御点のずれを算出して予め素子温度を変化させる。すなわち、従来はＮＯｘとＨＣ、ＣＯの残存率バランスを検出して、それに基づいたフィードバック制御を行っていたのに対して、本実施形態はフィードフォワード制御を行うことになる。

したがって、触媒の浄化性能のウィンドウから外れる頻度を少なくし、結果として空燃比の検出精度が向上し、適切な空燃比制御を行うことが可能となる。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらにＥＧＲ装置を備え、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲガス量を設定し、設定したＥＧＲガス量に応じて下流側空燃比センサ９の素子温度を所定量だけ変化させるので、ＥＧＲガス量に応じて排気ガスの残存率バランスが変化した場合にも、下流側空燃比センサ９の制御点のずれを補正することができる。

下流側空燃比センサ９の素子温度の変化量である上記所定量は、ＥＧＲガス量に応じて変化する排気ガスの残存率バランスの変化量に基づいて設定するので、下流側空燃比センサ９の制御点のずれを最適に設定することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、エンジンの空燃比制御に適用可能である。

第１実施形態のシステムの構成を表す図である。 酸素濃度センサの出力特性図である。 空燃比フィードバック制御を説明するための図である。 第１実施形態の制御フローチャートである。 素子温度補正量テーブル（ＱＡ積算値過剰分用）である。 素子温度補正量テーブル（ＱＡ積算値余剰分用）である。 第１実施形態の制御を実行した時（ＱＡ積算値が酸素ストレージ量限界値を超えてもリッチ−リーンが反転しない場合）のタイムチャートである。 第１実施形態の制御を実行した時（ＱＡ積算値が酸素ストレージ量限界値を超える前にリッチ−リーンが反転する場合）のタイムチャートである。 酸素濃度センサの出力特性図の拡大図である。 第２実施形態の制御フローチャートである。 下流側空燃比センサの出力レベルと排気ガス残存率の関係を表す図である。 ＥＧＲガス流量に応じた素子温度を設定するための設定素子温度テーブルである。 Ａ／Ｆセンサの出力特性図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ 排気通路
５ 触媒
６ 燃料噴射弁
７ 大気圧センサ
８ 上流側空燃比センサ
９ 下流側空燃比センサ
１０ 排気温度センサ
１１ コントロールユニット
１２ ＥＧＲバルブ
１３ クランク角センサ

Claims (5)

1. エンジンの排気空燃比に応じて排気中の酸素を取り込み、あるいは放出する酸素ストレージ能力のある触媒と、
   前記触媒の上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
   前記触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
   前記上流側空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を推定する酸素ストレージ量推定手段と、
   酸素ストレージ量が目標値となるようにエンジンの排気空燃比を制御する手段と、
   前記上流側空燃比センサの素子温度を調節する素子温度調節手段と、
   前記酸素ストレージ量の推定値と前記下流側空燃比センサの出力とに基づいて前記素子温度調節手段を制御する上流側空燃比センサ素子温度制御手段と、を備えることを特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記素子温度制御手段は、前記酸素ストレージ量の推定値が予め設定した限界値を越えても前記下流側空燃比センサの出力がリッチからリーン、もしくはリーンからリッチへ反転しない場合には前記上流側空燃比センサの素子温度を所定の変化量だけ低く変化させ、
   前記酸素ストレージ量の推定値が予め設定した限界値を越える前に前記下流側空燃比センサの出力がリッチからリーン、もしくはリーンからリッチへ反転した場合には前記上流側空燃比センサの素子温度を所定の変化量だけ高く変化させる請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記素子温度制御手段は、前記酸素ストレージ量の推定値と前記限界値との差に応じて前記所定の変化量を設定する請求項２に記載の空燃比制御装置。
4. 排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置と、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に応じて還流させる前記ＥＧＲガスの量を設定するＥＧＲガス量設定手段と、
   前記ＥＧＲガス量設定手段により設定されたＥＧＲガス量に応じて前記下流側空燃比センサの素子温度を所定量だけ変化させる下流側空燃比センサ素子温度制御手段と、を備える請求項１〜３のいずれか一つに記載の空燃比制御装置。
5. 前記下流側空燃比センサ素子温度制御手段は、前記ＥＧＲガス量に応じて変化する排気ガスの残存率バランスの変化量に基づいて前記所定量を設定する請求項４に記載の空燃比制御装置。

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